第３９卷第１期 上海船舶运输科学研究所学报 Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．１ ２０１６年３月 Ｊ０ｕＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＳＨＩＰ ＡＮＤ ＳＨＩＰＰＩＮＧ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ Ｍａｒ．２０１６
文章编号：１６７４—５９４９（２０１６）０１—００１—０７
螺旋桨四象限水动力性能数值计算
张文璨， 董国祥， 陈伟民， 杜云龙， 任海奎
（上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海２００１３５）
摘要：采用求解ＲＡＮＳ方程的方法并运用计算流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）软件Ｆｌｕｅｎｔ，对荷 兰ＭＡＲＩＮ船模水池Ｂ系列螺旋桨的敞水四象限水动力性能进行ＣＦＤ数值模拟；同时，将数值模拟结果与Ｂ系列 螺旋桨敞水四象限试验图谱进行比较。结果表明，计算误差较小，验证了计算策略的正确性，也为后续进行螺旋桨 四象限水动力性能研究打下了基础。 关键词：Ｂ系列螺旋桨；四象限；水动力性能；数值模拟 中图分类号：Ｕ６６１．３１ ３；Ｕ６６４．３３ 文献标志码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｕｒ－Ｑｕａｄｒａｎｔ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ
ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｃａｎ，ＤＯＮＧ Ｇｕｏｘｉａｎｇ， ＣＨＥＮ Ｗｅｉｍｉｎ， ＤＵ Ｙｕｎｌｏｎｇ， ＲＥＮ Ｈａｉｋｕｉ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｈｉｐ＆
Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｅｎ－ｗａｔｅｒ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｉｓ ａ ｈｏｔｓｐｏｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ ｈａｓ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｍｕｃｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍ— ａｎｔｅ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｏｌｖｉｎｇ ＲＡＮＳ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ，ＣＦＤ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＡＲＩＮ ｓｅｒｉｅｓ Ｂ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｉｔｓ ｏｐｅｎ－ｗａｔｅｒ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ—ｇｒａｐｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｙ ｉｎｓｐｉｒｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＡＲＩＮ ｓｅｒｉｅｓ Ｂ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０ 引 言
敞水桨四象限（前进中正车、前进中倒车、后退中正车、后退中倒车）水动力性能数值模拟是当前螺旋桨
计算流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）研究热点，但目前相关研究较少。由于螺旋桨四象限 动态模型领域在表达上有困难，因此迄今为止船舶运动仿真一般仅限于前向，即第一象限内的航行。螺旋桨
在反转和反向制动时将进入推力和扭矩的第二象限，而在船舶倒航时将进入第三象限，这超出了一般螺旋桨
图谱的表达范围，为螺旋桨逆转工况下的运动仿真带来了一定的困难。进行敞水桨四象限水动力性能研究 不仅具有诸多理论意义，而且是解决诸多舰船操纵性和速航性课题（离靠泊、舰船避碰、各种特殊机动）的关
键所在Ｌ１ ］。在该背景下，选取ＭＡＲＩＮ Ｂ系列螺旋桨中有代表性的螺距比Ｐ／Ｄ＝１．０、盘面比Ａ ／Ａｏ一０．７
的四叶桨Ｂ４—７０１０，对其敞水四象限水动力性能进行数值模拟，并将分析后的结果与Ｂ系列螺旋桨敞水四象
收稿日期：２０１５—０７—３１ 作者简介：张文璨（１９９Ｏ一），男，辽宁沈阳人，硕士生，主要从事船舶推进器水动力性能研究。
２ 上海船舶运输科学研究所学报 ２０１６年第１期
限试验图谱进行对比。结果表明：计算值与图谱值有较高的贴合性，采取的计算策略是成功的。
１ ＣＦＤ计算模型与计算策略
１．１计算模型
以选取ＭＡＲＩＮ Ｂ系列螺旋桨中有代表性的螺距比Ｐ／Ｄ＝１．０、盘面比Ａ ／Ａｏ一０．７的四叶桨Ｂ４—７０１０ 为研究对象，计算采用模型尺度，桨模直径Ｄ一０．２ ｍ。Ｂ４—７０１０模型的几何要素见表１。 裹１ Ｂ４－７０１０模型几何要素
ｒ Ｒ 半径／ｒａｍ 导边到参考线距离／ｒａｍ 螺距／ｒａｍ 纵倾／ｒａｍ
０．２ ２０ ３５．８９４ ６ １６４．４ ５．３５９
０．３ ３Ｏ ４０．２８７ ８ １７７．４ ８．０３８
０．４ ４０ ４３．１０４ ２ １９０．０ １０．７１８
０．５ ５０ ４４．０８３ ９ １８４．４ １３．３９８
０．６ ６Ｏ ４２．９２Ｏ ５ ２００．０ １６．０７７ ０．７ ７０ ３９．３３８ ７ ２００．０ １８．７５７
０．８ ８０ ３１．８７６ ６ ２００．０ ２１．４３６
０．９ ９０ １９．４０１ ５ ２００．０ ２４．１１６
利用Ｆｌｕｅｎｔ前处理软件Ｇａｍｂｉｔ建立Ｂ４—７０１０螺旋
桨的几何模型（见图１），具体步骤为： （１）螺旋桨二维几何数值进行坐标转化，得到螺旋
桨三维空间坐标点，并将三维空间坐标点文件导人到 Ｇａｍｂｉｔ中； （２）遵循“由点生线、由线生面、由面生体”的原则生 成螺旋桨实体。
１．２计算策略 １．２．１ 计算域及网格划分 计算域为与螺旋桨同轴的圆柱体（圆柱体的高度和 图１ Ｂ４－７０１０螺旋桨几何模型
直径分别）为螺旋桨直径的３０倍及１Ｏ倍），其中：速度人口距离螺旋桨约７倍螺旋桨直径；压力出口距离螺 旋桨约２０倍螺旋桨直径。
网格划分是指计算区域的离散化，即将空间上连续的计算区域划分为多个子区域，并确定每个区域中的
节点。网格划分的本质是用有限个离散的点代替原来的连续空间。数学上，生成网格后（离散化后）连续的 控制方程将被离散化，描写流动和传热的偏微分方程将转化为各个节点上的代数方程组。网格划分是ＣＦＤ
数值计算过程中最重要的环节，直接影响模拟的精度和效率。若网格过疏，则会导致模拟精度不高；若网格
过密，则又会导致计算量增大及计算难以收敛 引。
为便于进行网格划分，需要将无限流域流场空间划分为多个小空间。计算空间域被分为外部计算域、过 渡区和螺旋桨旋转域等３个部分。
（１）最外层为外部计算域，该区域中压力和速度分布变化并不剧烈，主要反映导管螺旋桨的来流和尾流 情况，因此可划分较粗的结构化网格；
（２）在外部计算域和螺旋桨旋转域的过渡区中，速度压力分布变化较为剧烈，需要加入较为细化的非结
构网格；
（３）在螺旋桨旋转域中，速度压力分布变化非常剧烈，应采用比过渡区更加细致的非结构化网格进行计 算。
在这３个区域中，外部计算域和过渡区均为静态域，而螺旋桨旋转域采用多重旋转坐标系（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｏ—
ｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｒａｍｅ，ＭＲＦ）模型，设置为绕Ｘ轴正方向旋转，角速度为２０ ｒ／ｓ。
在进口边界处设置为Ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ条件；出口边界定义为Ｐｒｅｓｓｕｒｅ—ｏｕｔｌ
ｅｔ边界；外部计算域圆柱体表 张文璨，等：螺旋桨四象限水动力性能数值计算 ５
Ｃｔ和扭矩系数ＣＱ，见表２～表５。
表２一象限计算数据分析结果
Ｖａ （。） ＣＴ ＣＱ
０．０ ０．０００ ０．２０８ ８ —０．３２６ ７ ０．７ ４．５４８ ０．２０１ ３ —０．２９３ ９
１．４ ９．０３９ ０．１６６ ４ —０．２４７７
２．１ １３．４２２ ０．１２６ ９ —０．１９８ ９
２．８ １７．６５０ ０．０８５ １ —０．１４３ ５
３．５ ２１．６８９ ０．０４１ ９ —０．０８３ ７
４．２ ２５．５１４ ０．０００ ０ —０．０２３ ４
４．９ ２９．１０９ —０．０４５ ５ ０．０４６ ７ ５．６ ３２．４７１ —０．０９４ ５ ０．１２３ ５
６．３ ３５．５９７ —０．１４５ ５ ０．２０３ ４
７ ３８．５０１ —０．１９６ ７ ０．２８３ ６
７．７ ４１．１８６ —０．２４７ ３ ０．３６２ ５
８．４ ４３．６６８ —０．２９６ ５ ０．４３８ ９ ９．１ ４５．９６３ —０．３４３ １ ０．５１２ ６
９．８ ４８．０７７ —０．３８６ ９ ０．５８１ １
１Ｏ．５ ５０．０３４ —０．４０２ ３ ０．６３２ １
表４三象限计算数据分析结果
（。） ＣＴ ＣＱ ０．０ １８Ｏ．０００ —０．１７３ ６ ０．３０８ ６
０．７ １８４．５４８ —０．１５７ ７ ０．２８２ ２
１．４ １８９．０３９ —０．１３Ｏ ８ ０．２１６ ７
２．１ １９３．４２２ —０．１０４ ５ ０．１４６ ８
２．８ １９７．６５０ —０．Ｏ６７ ８ ０．０８３ １
３．５ ２０１．６８９ ０．０００ ０ ０．Ｏ１６ ２ ４．２ ２０５．５１４ ０．０５３ ６ —０．Ｏ７１ ４
４．９ ２０９．１０９ ０．１０３ ２ —０．１４５ ６
５．６ ２１２．４７１ ０．１６４ ７ —０．２２０ ５
６．３ ２ｌ５．５９７ ０．２０２ ６ —０．２８７ ５ ７．０ ２１８．５Ｏ１ Ｏ．２６３ ７ ——０．３４２ １
７．７ ２２１．１８６ ０．３０６ ８ —０．４１２ ３
８．４ ２２３．６６８ ０．３４２ ７ —０．４９６ ５
９．１ ２２５．９６３ ０．３７４ ２ —０．５６１ ９ ９．８ ２２８．０７７ ０．４０２ ３ —０．６２６ ９
１Ｏ．５ ２３０．０３４ ０．４２２ ８ —０．６８８ ７ 表３二象限计算数据分析结果
Ｖａ ｐ／（。） Ｃｒ ＣＱ
０ １８Ｏ．０００ —０．１７３ ６ ｏ．３０８ ６
ｏ．７ １７５．４５２ —０．１６６ ４ ｏ．２９４ ５
ｌ＿４ １７０．９６１ —０．１５７ ７ ０．２５９ ４ ２．１ １６６．５７８ 一Ｏ．１８Ｏ ２ ０．２８４ １
２．８ １６２．３５Ｏ 一０．２０３ ４ ０．３３４ ３
３．５ １５８．３１１ —０．２６８ ３ ０．３９６ ５
４．２ １５４．４８６ 一ｏ．３２２ ４ ｏ．４８６ ７
４．９ １５Ｏ．８９１ —０．３８７ ７ ０．５５１ ２ ５．６ １４７．５２９ 一ｏ．４２８ ７ ｏ．６０３ ２
６．３ １４４．４０３ —０．４７０ ４ ｏ．６４８６
７ １４１．４９９ —０．５０２ ５ ０．６９０ ７
７．７ １３８．８１４ —０．５３４ ３ ０．７２４ ６
８．４ １３６．３３２ 一ｏ．５６１ ４ ｏ．７６２ ３ ９．１ １３４．Ｏ３７ —０．６Ｏ１ ３ ０．８０６ ７
９．８ １３ｌ＿９２３ 一ｏ．６４７ ８ ｏ．８５９ ３
１ｏ．５ １２９．９６６ 一ｏ．６９２ ４ ｏ．９１９ ５
表５ 四象限计算数据分析结果
Ｖａ 口／（。） ＣＴ Ｃｏ
ｏ．０ ３６Ｏ．ｏ００ ０．２２４ ８ 一ｏ．３５０ ２
ｏ．７ ３５５．４５Ｚ ０．２１３ ９ —０．３３６ ７
１．４ ３５Ｏ．９６１ ０．２０８ ３ —０．３１１２ ２．１ ３４６．５７８ ０．１９９ ４ —０．３０２ ８
２．８ ３４２．３５０ ｏ．２９８ ２ 一ｏ．４０７ ２
３．５ ３３８．３１１ ０．３９０ ４ —０．４８５ ７ ４．２ ３３４．￣８６ ０．￣３２ ９ —０．５６８ ８
４．９ ３３０．８９１ ｏ．４７２ ７ 一ｏ．６３７ ２
５．６ ３２７．５２９ ０．５１０ ４ —０．７０８ ２
６．３ ３２４．４０３ ０．５５４ ７ —０．７６３ ２
７ ３２１．４９９ ｏ．５８７ ６ 一ｏ．８０８ ７
７．７ ３１８．８１４， ０．６０９ ３ —０．８４０ ４ ８．４ ３１６．３３２ ０．６３２ ４ —０．８６２ ８
９．１ ３１４．Ｏ３７ ０．６５７ ３ 一ｏ．９０１ ２ ９．８ ３１１．９２３ ｏ．６８５ ４ —０．９２８ ７
１０．５ ３ｏ９．９６６ ｏ．７１５ ８ 一ｏ．９５４ ６
根据以上数据，绘制出Ｂ系列螺旋桨四象限水动力性能图谱值和计算值曲线（见图４）。
由图４可知，图谱值与计算值的贴合性较高，计算结果较为满意，证明了所采取的计算策略的正确性。
２．２螺旋桨四象限水动力性能的影响分析 以ＶＡ一１．４ ｍ／ｓ时的工况为例，对４个象限的螺旋桨叶背、叶面压力分布情况进行分析，研究不同象限
螺旋桨推力的变化情况。４个象限的螺旋桨叶背、叶面压力云图见图５和图６。